Новый метод исследования распределения элементов и транспортных путей в растениях
Корни растений играют ключевую роль в поглощении, селекции, обогащении и удержании различных минеральных элементов, обеспечивая питательными веществами удалённые ткани и секвестрируя избыток металлов. Эти специфичные для каждого элемента функции выполняют ионные транспортеры, опосредующие поглощение, выброс и внутриклеточную компартментализацию элементов.
Большинство ионных транспортеров имеют характерные паттерны локализации в определённых тканях и типах клеток, которые могут меняться в ответ на внутренние сигналы или внешние факторы. Для полного понимания роли множества транспортеров и транспортных путей в корнях необходимо определить их вклад в распределение элементов в клетках и тканях.
Лучшим методом для одновременного количественного определения множества элементов является масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой (ICP-MS). Однако ICP-MS в основном ограничен анализом целых тканей, а не отдельных тканей или конкретных типов клеток. Преодоление этого ограничения позволило бы одновременно картировать распределение нескольких минеральных элементов в разных клеточных слоях корня, что критически важно для понимания того, как корни защищают высокочувствительные стволовые клетки от токсичных элементов, но делятся необходимыми и полезными элементами с надземными частями.
«С учётом этого мы разработали метод, в котором различные типы клеток, выделенные из корней различных репортёрных линий, разделяются с помощью сортировки клеток, активируемой флуоресценцией (FACS), перед элементным анализом с помощью ICP-MS», — говорит доктор Рикардо Гиль, первый автор нового исследования, опубликованного в Nature Communications. — «Наш новый метод позволил нам определить концентрацию до 11 минеральных элементов в разных типах клеток и исследовать последствия нарушенной загрузки ксилемы или изменённой доступности питательных веществ с высоким пространственным разрешением».
Используя новый метод FACS-ICP-MS, исследователи выявили значительное распределение элементов, специфичное для типа клеток, и существование крутого градиента концентрации между внешними и внутренними клеточными слоями в корнях. «Кроме того, диапазоны клеточных концентраций для большинства макро- и микроэлементов, оценённые с помощью нашего метода, могут служить ориентиром для будущих исследований», — подчёркивает профессор, д-р Николаус фон Вирен, руководитель исследовательского отдела Физиологии и клеточной биологии IPK.
Метод также помог исследователям идентифицировать специфичное для типа клеток накопление марганца в корнях растений, подвергнутых условиям дефицита железа. Установив механизм секвестрации марганца в определённых типах клеток, исследователи обнаружили, что корневые волоски играют критическую роль в удержании избыточного марганца, поглощаемого растениями с дефицитом железа, тем самым предотвращая накопление токсичной концентрации марганца в побегах.
«Наши результаты подчёркивают важность конкретного "топографического" размещения ионных транспортеров для направления радиального движения ионов, предназначенных для побегов, или для эффективного секвестрирования металлов в корнях», — говорит Гиль. — «Возможность комбинировать наш метод с транскриптомикой и развивать его в сторону ICP-MS для одиночных клеток предлагает возможность исследовать сети транскриптом-ионом с очень высоким пространственным разрешением. Эти знания критически важны для понимания и манипулирования транспортными путями с целью повышения эффективности использования питательных веществ и одновременного предотвращения накопления токсичных элементов в надземных тканях».